G1 垃圾回收算法详解

目录

1. 简介

2. G1 GC 的设计目标

3. 内存结构

4. 回收过程

   • 初始标记（Initial Mark）
   • 并发标记（Concurrent Mark）
   • 最终标记（Final Mark / Remark）
   • 筛选回收（Cleanup / Evacuation）

5. 混合回收（Mixed GC）

6. 与其他 GC 的比较

7. 优缺点

8. 调优建议

9. 总结

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简介

G1（Garbage-First）是一种服务于 多核、大内存、低延迟 应用场景的 服务器端垃圾收集器，自 JDK 9 起成为默认 GC。其主要目标是以可预测的停顿时间来实现高吞吐量。

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G1 GC 的设计目标

• 可预测的 GC 停顿时间（如 <200ms）
• 减少 Full GC 的频率
• 高吞吐量与低延迟的平衡
• 并行与并发执行，提高 CPU 利用率

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内存结构

G1 GC 将堆划分为多个等大小的 Region（区域），每个 Region 大小为 1MB 到 32MB（默认 4MB），总数不超过 2048。

• 年轻代（Young Generation）：包含 Eden 和 Survivor 区域，分布在多个 Region 中
• 老年代（Old Generation）：由存活对象多次晋升后形成
• Humongous Region：用于存放大对象（大于一个 Region 的一半）

+------------------------------------------------------+
|                      Java Heap                       |
| +-----------+  +-----------+  +-----------+          |
| |  Eden     |  | Survivor  |  |  Old Gen  |   ...     |
| |  Region   |  |  Region   |  |  Region   |           |
| +-----------+  +-----------+  +-----------+           |
+------------------------------------------------------+

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回收过程

G1 的 GC 过程主要分为以下阶段：

初始标记（Initial Mark）

• 标记从 GC Roots 可达的对象
• 只处理 Eden 区中的新对象引用
• 与 Minor GC 一起发生（STW）

并发标记（Concurrent Mark）

• 并发执行，不会暂停应用线程
• 遍历整个堆中的对象图，识别存活对象
• 构建每个 Region 的存活率统计信息

最终标记（Final Mark / Remark）

• STW 阶段
• 补充并发标记过程中遗漏的变更
• 采用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）写屏障

筛选回收（Cleanup / Evacuation）

• 选出回收价值高的 Region 进行回收（依据回收成本与收益）
• 将存活对象移动（Evacuation）到其他 Region
• 回收原 Region，形成空 Region

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混合回收（Mixed GC）

在 Full GC 之前，G1 会执行 Mixed GC：

• 回收部分 Old Region + 所有 Young Region
• 并非一次完成，分多次 Mixed GC 执行，降低单次停顿时间
• 策略性选择回收的 Old Region

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与其他 GC 的比较

特性	CMS	G1 GC	ZGC/ Shenandoah
并发标记	有	有	有
并发清理	有	有（只处理部分 Region）	有
Region 化	否（分代）	是（统一 Region）	是
停顿时间	不可预测	可预测	极低停顿
吞吐量	高	高	中
优化目标	响应性	响应性 + 吞吐量	极低延迟

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优缺点

优点

• 可预测的 GC 停顿时间
• 更高的并发度与吞吐量
• 减少 Full GC 发生频率
• 自动调整回收策略

缺点

• 配置复杂度略高
• 对大对象的处理仍不理想（Humongous Objects）
• 初期占用 CPU 多，可能影响响应性

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调优建议

• 设置最大停顿时间目标：

  -XX:MaxGCPauseMillis=200
  

• 启用 G1 GC：

  -XX:+UseG1GC
  

• 控制堆内存大小：

  -Xms4g -Xmx4g
  

• 限制 Humongous 对象产生，使用对象池

• 监控指标：

  • gc.pause
  • gc.alloc.rate
  • gc.live.data.size
  • gc.heap.size

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总结

G1 GC 是一款结合了 吞吐量、低延迟、可预测停顿 特性的现代垃圾回收器，非常适合服务端、大型 Java 应用。它通过 Region 化设计、分阶段回收与混合策略，达成了响应性和高效性的平衡。

在对 GC 行为有更高可控需求的场景下，G1 是比 CMS 更优秀的选择。